Processes occurring in an engine with an unconventional duty cycle

Full Text

Введение Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) - тепловая машина, преобразующая тепловую энергию в механическую. В настоящее время существующие ДВС работают по циклам Отто, Дизеля и Сабатэ-Тринклера [1]. Такие циклы принято называть традиционными, они включают процессы впуска свежего заряда, сжатия, сгорания и расширения, выпуска. Как известно, ДВС обладают невысоким коэффициентом полезного действия (КПД), и потому со времен создания первого двигателя инженеры стремятся увеличить КПД любыми способами, одним из которых является эффективность использования теплоты путем совершенствования рабочего цикла. Резервы совершенствования рабочего цикла ДВС велики, так как потери составляют до 75% от энергии, которую может выделить топливо, и распределяются [2]: · неполнота сгорания топлива - 2…25%; · отвод тепла в систему охлаждения - 15…30%; · отвод тепла с отработавшими газами - 20…55%; · потери от несвоевременности подвода теплоты к циклу - 10…15%. Однако современное двигателестроение вышло на высокий уровень разработок и дальнейшее совершенствование рабочего процесса в традиционных циклах становится уже малоэффективным. Поэтому возникает необходимость рассматривать нетрадиционные циклы, позволяющие дополнительно использовать теплоту, отданную в систему охлаждения, и с отработавшими газами, обеспечивающие полное и качественное сгорание топлива. Цель исследования Целью исследования является рассмотрение ДВС с рабочим циклом по семитактовой схеме. Материалы, методы исследования и обсуждение результатов Двигатели с нетрадиционными рабочими циклами подробно рассмотрены в работе [3]. Рис. 1. Двигатель внутреннего сгорания с впрыском воды: 1 - коленчатый вал; 2, 14 - шатуны; 3 - основной цилиндр; 4, 13 - поршни; 5, 9 - впускные клапаны; 6 - форсунка подачи топлива; 7, 11 - выпускные клапаны; 8 - перепускной газоход; 10 - форсунка впрыска воды; 12 - дополнительный цилиндр В данной статье предлагается ДВС с семитактным рабочим циклом, представленный на рис. 1. В основном цилиндре такого двигателя рабочий цикл протекает как в традиционном четырехтактном ДВС. На первом такте происходит впуск, на втором - сжатие, на третьем - сгорание и рабочий ход, а вот на четвертом такте отработавшие газы не отводятся из цилиндра, а направляются в дополнительный цилиндр - происходит продолженное расширение газов (рабочий ход). На пятом такте отработавшие газы сжимаются в дополнительном цилиндре и в конце сжатия подается вода. Отбирая теплоту от нагретых деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ) и сжатых газов, вода испаряется, и расширяющийся пар совершает полезную работу (шестой такт - рабочий ход). На седьмом такте поршень перемещается к верхней мертвой точке, вытесняя пар с отработавшими газами [4]. В последующем водяной пар отделяется от отработавших газов, очищается, конденсируется и вновь подается в цилиндр. В результате рабочий цикл протекает за семь тактов. Но так как основной и дополнительный цилиндры работают параллельно, то весь цикл будет протекать, как и у традиционного четырехтактного ДВС за два оборота коленчатого вала, то есть 720° поворота коленчатого вала. Следовательно, у семитактного ДВС повышается эффективность рабочего цикла по сравнению с традиционным четырехтактным. Индикаторная диаграмма семитактного рабочего цикла представлена на рис. 2. На диаграмме показаны отдельно циклы: слева - для основного цилиндра 3 (см. рис. 1) и его характерные точки обозначены индексом 1; справа - для дополнительного цилиндра 12, и его характерные точки обозначены индексом 2. а) б) Рис. 2. Индикаторная диаграмма семитактного рабочего цикла: а - основного цилиндра; б - дополнительного цилиндра; р - давление; V - объем; Vс - объем камеры сгорания; Vh - рабочий объем; а1, а2 - конец впуска (начало сжатия); с1, с2 - конец сжатия; z1 - конец сгорания; z2 - конец парообразования; b1 - конец расширения газов (начало перепуска газов в дополнительный цилиндр); b2 - конец расширения пара (начало выпуска); r1 - конец перепуска газов в дополнительный цилиндр; r2 - конец выпуска Рассмотрим процессы, происходящие в семитактном ДВС. Процесс впуска осуществляется в период первого такта - такта впуска. При этом поршень движется от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ). На диаграмме (см. рис. 2) этот процесс показан участком r2 - а1. Основной характеристикой качества наполнения цилиндров свежим зарядом является коэффициент наполнения, а основными параметрами, характеризующими совершенство процесса впуска, являются: подогрев заряда от нагретых деталей ΔТ, давление конца наполнения ра и температура конца наполнения Та [5]. Причем эти параметры будут зависеть от конструктивных особенностей: газовых каналов, клапанного механизма, формы камеры сгорания и т.д., а также от давления р0 и температуры Т0 окружающей среды. Процесс сжатия в основном цилиндре - кривая а1 - с1 - протекает при движении поршня от НМТ к ВМТ в период второго такта - такта сжатия. Процесс сжатия - очень сложный процесс, носит политропный характер и сопровождается теплообменом свежего заряда со стенками ЦПГ: в начале сжатия свежий заряд получает тепло от нагретых деталей ЦПГ, а затем, нагреваясь от сжатия, передает тепло ЦПГ. Таким образом, показатель политропы в процессе сжатия постоянно изменяется от 1,5 у НМТ до 1,1 у ВМТ. Для простаты расчетов принято считать, что сжатие происходит без изменения показателя политропы n1 с неким средним значением, величина которого обеспечивает такую же работу сжатия, как при переменном показателе n1. Этот показатель лежит в пределах 1,34 … 1,42 [6]. Представление сжатия как политропного процесса с постоянным показателем политропы позволяет использовать при расчетах термодинамические зависимости: ; (1) (2) где ра, рс - давления, соответственно, в начале и в конце сжатия; ε - степень сжатия; n1 - показатель политропы сжатия; Та, Тс - температура, соответственно, в начале и в конце сжатия. В конце сжатия подводится теплота к рабочему телу. В термодинамических циклах считается, что подвод теплоты осуществляется при постоянном объеме (цикл Отто), либо при постоянном давлении (цикл Дизеля), либо и при постоянном объеме и при постоянном давлении (смешанный цикл - цикл Сабатэ-Тринклера). При этом основные параметры конца сгорания определяются: ; (3) , (4) где рz - давление в конце сгорания; λ - степень повышения давления; Тz - температура в конце сгорания. Подводом теплоты к рабочему телу в действительном цикле является процесс сгорания, который начинается в конце сжатия и накладывается на процесс расширения. На индикаторной диаграмме это участок с1 - z1. В процессе сгорания химическая энергия топлива превращается в тепловую, в результате давление в цилиндре резко повышается. Процесс сгорания протекает очень сложно и основными показателями протекания процесса сгорания являются: · давление и температура в начале воспламенения; · концентрация топлива, воздуха и остаточных газов; · интенсивность тепловыделения, характеризуемая теплотой сгорания рабочей смеси: , где Нраб.см - теплотой сгорания рабочей смеси; Hu - низшая теплота сгорания топлива; M1 - количество горючей смеси; γr - коэффициент остаточных газов. В результате сгорания и, как следствие, нарастания давления, начинается процесс расширения, который протекает во время третьего такта - такта расширения, или его еще называют - такт рабочего хода (кривая z1 - b1). Поршень при этом начинает движение к НМТ. Процесс расширения, как и процесс сжатия, является политропным процессом и в действительном цикле в начальный период происходит с подводом теплоты в результате догорания топлива. Поэтому показатель политропы расширения n2 ниже показателя адиабаты k2 и составляет 1,0 … 1,15. При дальнейшем движении поршня к НМТ, догорание топлива прекращается, и рабочее тело передает тепло в стенки ЦПГ - показатель политропы становится выше показателя адиабаты и приближается к значению 1,5 … 1,6. Также как и на линии сжатия, в расчетах кривую расширения принимают за политропу со средним постоянным показателем n2, который находится в пределах 1…1,30 [6]. Поэтому параметры в характерной точке b1 индикаторной диаграммы могут быть определены по формулам политропного процесса: ; (5) , (6) где pb - давление в конце расширения; δ - степень последующего расширения; n2 - показатель политропы расширения; Тb - температура в конце расширения. На четвертом такте поршень в основном цилиндре 4 (см. рис. 1) движется к ВМТ и вытесняет газы, этот процесс b1 - r1 сопровождается перепуском газов из основного цилиндра в дополнительный 12. В дополнительном цилиндре поршень 13 начинает движение к НМТ (процесс r1 - а2) - происходит продолженное расширение газов (рабочий ход в дополнительном цилиндре). Эффективность давления газов на поршень дополнительного цилиндра будет зависеть от момента открытия клапанов перепуска газов из одного цилиндра в другой. Основными параметрами конца процесса продолженного расширения газов можно условно считать давление рb и температуру Тb конца расширения в основном цилиндре. Однако в процессе перепуска будут иметь место гидравлические потери, потери давления через поршневые кольца, «вредное» пространство камеры сгорания и т.д. С учетом этого давление ра и температура Та начала сжатия в дополнительном цилиндре будут несколько меньше и соответствовать параметрам в точке а2. Процесс сжатия в дополнительном цилиндре осуществляется на пятом такте - процесс а2 - с2 и по характеру практически не отличается от сжатия в основном цилиндре. Однако в точке а2 температура начала сжатия выше температуры деталей ЦПГ, поэтому процесс сжатия сопровождается постоянным отводом тепла от газа в стенки ЦПГ, поэтому средний показатель политропы сжатия будет находиться в пределах 1,10 … 1,15, а расчет основных параметров можно произвести по формулам (1) и (2), подставляя соответствующие значения параметров дополнительного цилиндра. При таком сжатии температура газов в конце сжатия может достигать 1500 … 1700 К, поэтому впрыснутая в этот момент вода начнет мгновенно испаряться и увеличиваться в объеме, что приведет к резкому повышению давления в цилиндре до точки z2 на диаграмме. Расчет основных параметров в точке z2 можно выполнить по формулам (3) и (4). Однако необходимо учитывать, что максимальное давление в точке z2 ограничивается конструктивными особенностями двигателя и, в первую очередь, нагрузкой и тепловой напряженностью ЦПГ. Регулируя цикловую подачу воды, можно добиться оптимальных значений давления рz и температуры Тz в дополнительном цилиндре. В результате повышения давления в дополнительном цилиндре поршень начинает движение к НМТ и происходит процесс расширения, то есть рабочий ход на шестом такте - кривая на диаграмме z2 - b2. Процесс расширения протекает аналогично процессу расширения в основном цилиндре, потому расчет его основных параметров можно выполнить по формулам (5) и (6). Рабочий цикл семитактного двигателя, как и всех ДВС, заканчивается процессом выпуска - седьмой такт. Выпуск на диаграмме показан кривой b2 - r2. Основным параметром, характеризующим совершенство процесса выпуска, является коэффициент остаточных газов, который в значительной степени зависит от давления рr конца выпуска и в меньшей степени от температуры Тr конца выпуска [5]. Так протекает рабочий цикл семитактного двигателя. На индикаторной диаграмме (см. рис. 2) представлены только характерные точки. Для действительного цикла учитываются фазы газораспределения, выполняется так называемое скругление индикаторной диаграммы с учетом коэффициента использования теплоты и т.д. Методику скругления индикаторной диаграммы можно посмотреть в источнике [7]. Реализовать семитактный цикл можно в четырехтактном ДВС. В работе [8] рассматриваются конструктивные мероприятия по реализации на четырехцилиндровом двигателе такие возможности. Выводы 1. Рассмотрены процессы, происходящие в семитактном двигателе. На основе рассмотренных формул выполняется тепловой расчет семитактного ДВС. Однако, вследствие того, что в расчете используются целый ряд параметров, значения которых выбираются из опытных данных, то расчету должен предшествовать обоснованный выбор этих параметров. Успешное выполнение данной задачи обеспечит точность выполнения теплового расчета и приближение расчетной индикаторной диаграммы к реальной. 2. Предварительные расчеты показали, что максимальное давление семитактного рабочего цикла ДВС может достигать до 20 МПа. Это связано с высоким давлением в конце сжатия в дополнительном цилиндре и влечет за собой существенную нагрузку и теплонапряженность ЦПГ двигателя. Однако мощность и топливная экономичность двигателя при этом повышаются, несколько снижаются максимальная температура цикла и токсичность отработавших газов за счет впрыска воды. Такие преимущества дают основания на осуществление рабочего цикла ДВС по семитактной схеме.

About the authors

A. A Berdnikov

Perm Military Institute of the Internal Troops of the Ministry of the Interior of the Russian Federation

Email: aa-berdnikov@mail.ru

References

Supplementary files